KR20130065699A - 연소 가열 시스템 - Google Patents

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KR20130065699A
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기미요시 사토
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

이 연소 가열 시스템은 가열판과, 가열판에 대향 배치된 배치판과, 가열판과 배치판의 사이에 배치된 환상의 외주벽과, 가열판과 배치판의 사이에 배치된 구획판과, 외주벽을 따라 위치하고 외주벽의 일부인 보염 부위에 연료 가스를 충돌시켜 보염하는 연소실과, 배치판과 구획판을 측벽으로 하고 연소실로 향하여 연료 가스를 유동시키는 도입로와, 가열판과 구획판을 측벽으로 하고 연소실로부터 배기 가스를 외부로 향하여 유동시킴과 동시에 구획판을 개재하여 배기 가스의 열로 연료 가스를 예열하는 도출로를 구비하는 연소 가열기를 복수 연결한 구조를 가진다. 또한, 이 연소 가열 시스템은 복수의 연소 가열기의 연결부에 배치됨과 동시에 각각의 연소실을 서로 연통시키는 연통로를 구비한다. 또한, 보염 부위와 연통로가 가열판과 배치판의 대향 방향으로 병설되어 있다.

Description

연소 가열 시스템{Combustion heating system}
본 발명은 연료를 연소시켜 피가열물을 가열하는 복수의 연소 가열기를 서로 연결한 연소 가열 시스템에 관한 것이다.
본원은 2010년 11월 4일에 일본 출원된 특허출원 2010-247371호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터 연료 가스의 연소에 의해 생기는 연소열로 복사체를 가열하고, 복사체의 복사면으로부터의 복사열로 공업 재료나 식품 등을 가열하는 연소 가열기가 널리 보급되어 있다. 이러한 연소 가열기에 대해, 예를 들면 복사 강도를 향상시키기 위해 복사면에 복사율이 높은 재료나 형상을 적용하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
상술한 종래의 연소 가열기에서는, 복사면의 표면에 설치한 연료 가스 배출구로 연료 가스를 연소시키며, 배기 가스를 회수하지 않고 주위 환경으로 배기하고 있다. 따라서, 배열을 회수할 수 없어 열효율이 낮아지고, 또한 연료 가스 배출구의 형성에 의해 복사면의 면적이 작아지기 때문에 복사 강도를 향상시키기가 어렵다. 또, 배기 가스의 열에 의해 장치 주변의 온도가 상승하거나 배기 가스가 충만하거나 하여 주위 환경의 개선을 도모할 수 없을 가능성이 있다.
그 때문에, 열효율을 향상시킨 마이크로 컴버스터라고 불리는 연소 가열기가 제안되어 있다. 이 연소 가열기는 연료 가스의 도입로, 연소실 및 연소 후의 배기 가스의 도출로에 이르는 범위를 밀폐 구조로 하고, 도입로와 도출로를 인접시켜 배기 가스의 열로 연소 전의 연료 가스를 예열하여 열효율을 높이고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본공개특허 2004-324925호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2007-212082호 공보
상술한 특허문헌 2와 같은 연소 가열기는, 배기 가스의 열을 효율적으로 이용함과 동시에 배기 가스를 회수하기 위한 밀폐 구조를 구비하고 있다. 여기서, 연소 가열기의 열량이나 가열 면적을 증가시키기 위해 단순히 2차원 방향(가열면에 평행한 방향)으로 연소 가열기를 크게 하고자 하면, 밀폐성을 안정적으로 유지하기 위해 제조비용이 증대할 가능성이 있다. 또한, 연소 가열기 내의 도입로와 도출로를 구획하고 있는 구획판의 열변형이 커져 온도 분포가 치우치거나 불완전 연소에 의한 CO(일산화탄소) 배출 농도가 증가하거나 하여 연소 가열기의 성능을 충분히 발휘할 수 없을 가능성이 있다. 그 때문에, 본원 발명자는 복수의 연소 가열기를 서로 연결하여 그 열량이나 가열 면적을 증가시키는 것을 시도하였다.
복수의 연소 가열기를 연결하는 연소 가열 시스템에서는, 1회의 점화로 연결하는 모든 연소 가열기를 점화하는 기능이 요구된다. 그러나, 특허문헌 2와 같은 연소 가열기에서는 밀폐성을 유지해야만 하므로, 불 번짐 구조(복수의 연소 가열기 간에 연소를 전파시키기 위한 구조)를 안이하게 형성할 수 없을 가능성이 있다. 또한, 연소 가열기에서 외주벽은 보염(保炎) 기능을 가지므로, 불 번짐 구조의 설치를 위해 외주벽을 결락시키면 보염성이 저하되고, CO 배출 농도의 증가나 본래의 열효율을 얻을 수 없을 가능성이 있다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 복수의 연소 가열기를 연결한 경우에서도 불 번짐성과 보염성을 양립시키는 것이 가능한 연소 가열 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 연소 가열 시스템은 가열판과, 가열판에 대향 배치된 배치판과, 가열판과 배치판의 사이에 배치된 환상의 외주벽과, 가열판과 배치판의 사이에 배치된 구획판과, 외주벽을 따라 위치하고 외주벽의 일부인 보염 부위에 연료 가스를 충돌시켜 보염하는 연소실과, 배치판과 구획판을 측벽으로 하고 연소실로 향하여 연료 가스를 유동시키는 도입로와, 가열판과 구획판을 측벽으로 하고 연소실로부터 배기 가스를 외부로 향하여 유동시킴과 동시에 구획판을 개재하여 배기 가스의 열로 연료 가스를 예열하는 도출로를 구비하는 연소 가열기를 복수 연결한 구조를 가진다. 또한, 본 발명의 연소 가열 시스템은 복수의 연소 가열기의 연결부에 배치됨과 동시에 각각의 연소실을 서로 연통(連通)시키는 연통로를 구비한다. 또한, 보염 부위와 연통로가 가열판과 배치판의 대향 방향으로 병설되어 있다.
이 경우, 외주벽의 높이는 보염에 필요하게 되는 보염 부위의 높이와 연통로의 소염 거리(消炎距離)에 기초하여 결정되는 연통로의 높이의 합이어도 된다.
또한, 연통로는 연결한 복수의 연소 가열기 각각의 연소실 간의 거리가 최단이 되는 위치에 배치되어도 된다.
또한, 본 발명의 연소 가열 시스템은 도입로에 접속되어 연료 가스를 연소 가열기 내로 향하여 유동시키는 제1 배관부와, 도출로에 접속되어 배기 가스를 연소 가열기의 외부로 향하여 유동시키는 제2 배관부와, 복수의 연소 가열기 각각의 제2 배관부를 서로 연통시키는 연통관을 더 구비해도 된다. 또한, 연통관은 제2 배관부보다 유로 면적이 큰 확대부를 가져도 된다.
또한, 제1 배관부 및 제2 배관부 중 한쪽이 다른 쪽의 내부에 배치되어 이중관을 형성해도 된다.
본 발명에 따르면, 복수의 연소 가열기를 연결한 경우에서도 불 번짐성과 보염성을 양립시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 연소 가열기의 구조를 설명하기 위한 조립도이다.
도 2a는 도 1의 A-A선에서의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 영역(X1)에서의 확대도이다.
도 3a는 복수의 돌기부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 B-B선에서의 사시 단면도이다.
도 4는 연소 가열 시스템의 외관예를 도시한 사시도이다.
도 5a는 연소 가열 시스템의 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 C-C선에서의 단면도이다.
도 5c는 도 5b의 영역(X2)에서의 확대도이다.
도 6은 불 번짐부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 화염의 전파를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8a는 연통관을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 D-D선에서의 단면도이다.
도 9a는 압력파의 전파를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
도 9b는 압력파의 전파를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 하기 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타 구체적인 수치 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시이며, 특별히 언급하는 경우를 제외하고 이들 특징에 의해 본 발명은 한정되지 않는다. 또, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능 또는 구성을 갖는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.
연소 가열기는 연소실과, 연료 가스(미연소 가스: 연소 전의 가스)의 도입로와, 배기 가스(연소 가스: 연소 후의 가스)의 도출로가 밀폐된 상태로 형성된 본체 용기를 구비한다. 또한, 이 연소 가열기는 도출로를 흐르는 배기 가스의 열로 도입로를 흐르는 연료 가스를 예열함으로써, 연소실에서 초과 엔탈피 연소를 실현한다. 이러한 연소 가열기는 배기 가스의 열을 회수하고 있으므로 열효율이 높고, 배기 가스도 회수되기 때문에 주위 환경을 손상시키지 않는다. 또한, 연료 가스 배출구를 복사면에 형성할 필요가 없기 때문에, 복사면의 면적은 감소하지 않고 복사 강도가 높다.
이러한 연소 가열기 중에서 특히 디스크형 연소 가열기에서는, 전열을 담당하는 구획판이 본체 용기를 구성하는 한 쌍의 평판(가열판, 배치판)보다 소형의 평판으로 이루어진다. 또한, 디스크형 연소 가열기는 한 쌍의 평판 사이에 공극을 설치하여 배치하는 등의 간이한 구성으로 도입로와 도출로의 사이에서의 열교환을 실시하고 있다. 또, 디스크형 연소 가열기는 복사면을 갖는 평판 형상의 자유도가 높다.
이러한 높은 열효율과 배기 가스의 회수 기능을 양립할 수 있는 사용하기 편리함으로부터 앞으로 연소를 종료한 배기 가스를 그대로 주위 환경으로 배기하는 종래의 연소 가열기를 본 실시형태와 같은 디스크형 연소 가열기로 치환할 기회가 늘어나는 것이 기대된다. 그러나, 상기 종래의 연소 가열기는 비교적 대형의 것이 많은 반면, 현재의 디스크형 연소 가열기는 비교적 소형의 것이 많아, 종래의 대형 연소 가열기를 비교적 소형의 디스크형 연소 가열기로 바로 치환한다는 것이 어렵다.
디스크형 연소 가열기의 열량이나 가열 면적을 증가시키기 위해 단순히 2차원 방향(가열면에 평행한 방향)으로 연소 가열기를 크게 하고자 하면, 밀폐성을 안정적으로 유지하기 위해 제조비용이 증대할 가능성이 있다. 또한, 연소 가열기 내의 도입로와 도출로를 구획하고 있는 구획판의 열변형이 커져 온도 분포가 치우치거나 불완전 연소에 의한 CO 배출 농도가 증가하거나 하여 연소 가열기의 성능을 충분히 발휘할 수 없을 가능성이 있다. 그 때문에, 본원 발명자는 복수의 연소 가열기를 연결하는 연소 가열 시스템에 착안하였다. 연결이란 연소 가열기를 연속하여 늘어선 상태로 설치하는 것을 말하고, 복수의 연소 가열기를 일체적으로 형성하는 것도 포함한다. 그러나, 연소 가열기에서는 밀폐성을 유지해야만 하므로, 불 번짐 구조(복수의 연소 가열기 간에 연소를 전파시키기 위한 구조)를 안이하게 형성할 수 없을 가능성이 있다. 또한, 연소 가열기에서 외주벽은 보염 기능을 가지므로, 불 번짐 구조의 설치를 위해 외주벽을 부주의하게 제거하여 버리면 보염성이 저하되고, CO 배출 농도의 증가나 본래의 열효율을 얻을 수 없을 가능성이 있다.
본 실시형태에서의 복수의 연소 가열기를 연결한 연소 가열 시스템은 불 번짐성과 보염성을 양립시키는 것을 목적으로 한다. 이하, 이해를 용이하게 하기 위해, 우선 연소 가열 시스템(100)을 구성하는 개개의 연소 가열기(110)를 설명하고, 그 후 연소 가열 시스템(100)의 특히 불 번짐 기능에 대해 상세히 서술한다.
(연소 가열기(110))
도 1은 연소 가열기(110)의 구조를 설명하기 위한 조립도이다. 도 2a는 도 1의 A-A선에서의 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 영역(X1)에서의 확대도이다. 또, 도 2a의 지면(紙面) 상하 방향은 연소 가열기(110)의 연직 방향이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 연소 가열기(110)는 가열판(118), 배치판(120), 외주벽(122), 구획판(124), 연소실(126), 도입로(128), 도출로(130), 제1 배관부(132), 제2 배관부(134)를 포함한다. 또, 본 실시형태에서는, 연소 가열기(110)는 2차원 방향으로의 외형이 220mm×140mm(후술하는 바와 같이 길이방향으로 2개 연결하면 440mm×140mm) 정도의 것을 예로 들어 설명한다. 단, 연소 가열기(110)의 외형은 이러한 크기에 한정되지 않고, 임의의 크기로 설정할 수 있다.
본 실시형태에서의 연소 가열기(110)는, 본체 용기에 도시 가스 등과 연소용 산화제 가스로서의 공기가 미리 혼합된 연료 가스(예혼합 가스)가 공급되는 예혼합 타입이다. 또, 이러한 경우에 한정되지 않고, 연소 가열기(110)가 연소실(126)이나 연소실(126) 직전의 도입로(128)에서 양자가 혼합하여 확산 연소를 행하는 확산 타입이어도 된다.
가열판(118) 및 배치판(120)은 내열성 및 내산화성이 높은 소재, 예를 들면 스텐레스강(SUS: Stainless Used Steel)이나 열전도율이 높은 소재, 예를 들면 황동(놋쇠) 등으로 형성되어 있다. 가열판(118) 및 배치판(120)은 서로 대향하여 배치됨과 동시에, 서로 대략 평행(본 실시형태에서의 초과 엔탈피 연소를 일으키게 하기 위한 실질적인 평행)하게 배치된다. 또한, 가열판(118) 및 배치판(120)은 연소실(126)에서 생성된 연소열로 가열되는 복사체로서도 기능한다. 단, 배치판(120)은 복사체로서 기능하는 구성에 한정하지 않고, 예를 들면 단열 구조로 해도 된다.
외주벽(122)은 평면에서 보아 내주가 트랙 형상(대략 평행한 2개의 선분과 그 2개의 선분을 연결하는 2개의 원호(반원)로 이루어진 형상)으로, 외주가 직사각형으로 형성되어 있다. 외주벽(122)은 가열판(118) 및 배치판(120)의 사이에 배치된다. 또한, 외주벽(122)의 외주면을 복사면으로서 이용할 수도 있다. 외주벽(122)은 가열판(118)과 배치판(120)의 사이에 배치되고, 평면에서 보아 환상으로 형성되어 있다.
연소 가열기(110)의 본체 용기는 외주벽(122)과, 외주벽(122)을 상하로부터 폐색하는 가열판(118), 배치판(120)으로 이루어진다. 이 본체 용기에 있어서, 외주면(외주벽(122)의 외주면)의 면적보다 상하 벽면(가열판(118), 배치판(120)의 판면)의 면적이 크다. 즉, 상하 벽면은 본체 용기의 외표면의 대부분을 차지한다. 이 상하 벽면 중에서 예를 들면 상측의 면(가열판(118)의 상면)이 복사면이 되고, 연소실(126)에서 연료 가스가 연소하면, 우선 이 연소에 의해 가열판(118)이 가열되고, 다음에 복사나 공기의 대류에 의해 복사면으로부터 열이 전달되어 연소 가열기(110)의 외부의 피가열물이 가열된다. 또한, 연소 가열 시스템(100)과 같이 연소 가열기(110)가 복수 연결되는 경우, 그 복수의 연소 가열기(110)의 모든 복사면에서 거의 동등한 복사열을 얻을 수 있다. 본 실시형태에서는 상하 벽면 중에서 상측의 면(가열판(118)의 상면)을 복사면으로 하지만, 이러한 경우에 한정되지 않고, 하측의 면(배치판(120)의 하면)만을 복사면으로 하거나 상하 벽면의 양면을 복사면으로 하거나 해도 된다.
구획판(124)은 가열판(118) 및 배치판(120)보다 외형이 작고 외주벽(122)의 내주면에 따른 형상으로 형성되어 있다. 구획판(124)은 가열판(118) 및 배치판(120)의 사이에서 가열판(118) 및 배치판(120)과 대략 평행하게 배치된다. 구획판(124)과 가열판(118)의 사이 및 구획판(124)과 배치판(120)의 사이에는 각각 공극이 형성된다. 또한, 구획판(124)은 내열성 및 내산화성이 높은 소재, 예를 들면 스텐레스강이나 열전도율이 높은 소재, 예를 들면 황동 등으로 형성된다. 구획판(124)은 가열판(118) 및 배치판(120)과의 사이에 각각 공극이 형성되면 기울어져 대향 배치되어도 된다. 또한, 구획판(124), 가열판(118) 및 배치판(120)은 그 두께에 제한은 없고, 평판에 한정하지 않고 요철로 형성되어도 된다.
도 1의 조립도를 이용하여 가열판(118), 배치판(120), 외주벽(122) 및 구획판(124)의 위치 관계를 설명한다. 배치판(120)에는 구획판(124)과 외주벽(122)이 위쪽으로부터 겹쳐진다. 상세하게는 도 2a에 도시된 바와 같이 배치판(120)이 제1 배관부(132)의 단부에 고정되는 데에 대해, 구획판(124)은 제1 배관부(132)보다 위쪽으로 돌출되어 있는 제2 배관부(134)의 단부에 고정된다. 그 때문에, 제1 배관부(132)의 단부와 제2 배관부(134)의 단부의 사이의 거리만큼 배치판(120)과 구획판(124)이 이격된다. 또한, 구획판(124)은 외주벽(122)의 내부에 배치된다. 이 때, 구획판(124)의 외주 단부와 외주벽(122)의 통형상의 내주면의 사이에는 연소실(126)로서의 공극이 형성된다. 마지막으로 외주벽(122)에 가열판(118)이 위쪽으로부터 겹쳐진다.
연소실(126)은 외주벽(122), 가열판(118), 배치판(120) 및 구획판(124)의 외주 단부에 둘러싸여 있고, 외주벽(122)보다 내측에 외주벽(122)을 따라 형성된다. 이와 같이 외주벽(122)을 따라 연소실(126)을 형성하기 때문에, 연소실(126)의 체적을 충분히 확보할 수 있고 연소 부하율을 낮게 할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본체 용기 내에서는 두께 방향(가열판(118)의 상면에 직교하는 방향)으로 도입로(128)와 도출로(130)가 겹쳐서 형성된다. 도입로(128)는 배치판(120)과 구획판(124)을 측벽으로 하고, 배치판(120)과 구획판(124)에 사이에 있는 공간이다. 도입로(128)는 본체 용기 중앙으로 유입한 연료 가스를 연소실(126)로 향하여 방사상으로 유동시킨다.
도출로(130)는 가열판(118)과 구획판(124)을 측벽으로 하고, 가열판(118)과 구획판(124)에 끼워진 공간이다. 도출로(130)는 연소실(126)로부터 배기 가스를 본체 용기 중앙에 집약하여 연소 가열기(110)의 외부로 향하여 유동시킨다. 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본체 용기 내에서는 두께 방향으로 도입로(128)와 도출로(130)가 겹쳐 형성되어 있으므로, 구획판(124)을 개재하여 배기 가스의 열을 전달하여 연료 가스를 예열할 수 있다.
제1 배관부(132)는 도입로(128)에 접속되고, 연료 가스를 연소 가열기(110) 내로 향하여 유동시킨다. 구체적으로 배치판(120)의 중심부에는 제1 배관부(132)의 내직경과 동일 직경의 구멍(158)이 설치되어 있고, 이 구멍(158)에 제1 배관부(132)가 접속되어 있다.
제2 배관부(134)는 제1 배관부(132)의 내측에 배치된다. 즉, 제1 배관부(132)와 제2 배관부(134)로 이중관을 형성한다. 또한, 제2 배관부(134)는 도출로(130)에 접속되고, 배기 가스를 연소 가열기(110)의 외부로 향하여 유동시킨다. 구체적으로 구획판(124)의 중심부에는 제2 배관부(134)의 외경과 동일 직경의 구멍(160)이 설치되어 있고, 이 구멍(160)에 제2 배관부(134)가 접속된다. 또, 제2 배관부(134)는 그 내부를 유동하는 배기 가스의 열을 제1 배관부(132)를 흐르는 연료 가스에 전달하는 역할도 담당한다.
본 실시형태에서는 제1 배관부(132)의 내측에 제2 배관부(134)가 배치되지만, 이러한 경우에 한정되지 않고, 제2 배관부(134)의 내측에 제1 배관부(132)가 배치됨과 동시에, 제1 배관부(132) 및 제2 배관부(134)를 가열판(118) 측으로부터 도입로(128) 및 도출로(130)에 각각 접속시켜도 된다.
다음에, 연료 가스 및 배기 가스의 흐름을 구체적으로 설명한다. 도 2a의 영역(X1)을 확대한 도 2b에서, 엷은 회색으로 칠한 화살표는 연료 가스의 흐름을, 진한 회색으로 칠한 화살표는 배기 가스의 흐름을, 흑색으로 칠한 화살표는 열의 이동을 나타낸다. 제1 배관부(132)에 연료 가스를 공급하면, 연료 가스는 배치판(120)의 중심부로부터 도입로(128)로 유입되어 수평 방향으로 방사상으로 퍼지면서 연소실(126)로 향하여 흐른다. 연료 가스는 연소실(126)에서 외주벽(122)에 충돌하여 연소한 후, 고온의 배기 가스가 된다. 배기 가스는 연소실(126)로부터 도출로(130)를 통해 제2 배관부(134)에 유입된다.
구획판(124)은 비교적 열전도하기 쉬운 소재로 형성되어 있어, 도출로(130)를 통과하는 배기 가스의 열은 구획판(124)을 개재하여 도입로(128)를 통과하는 연료 가스에 전해진다(전열한다). 본 실시형태에서는, 도출로(130)를 흐르는 배기 가스와 도입로(128)를 흐르는 연료 가스가 구획판(124)을 사이에 두고 대향류(카운터 플로)로 되어 있기 때문에, 배기 가스의 열로 연료 가스를 효율적으로 예열하는 것이 가능하게 되어 높은 열효율을 얻을 수 있다. 이와 같이 연료 가스를 예열하고 나서 연소하는 이른바 초과 엔탈피 연소에 의해 연료 가스의 연소를 안정화하고, 불완전 연소에 의해 생기는 CO의 농도를 극저농도로 억제할 수 있다.
또, 연소실(126)에서의 안정된 연소를 가능하게 하기 위해, 도입로(128)의 연소실(126)과의 접속부에서 연료 가스의 흐름에 수직인 단면 형상(이하, 유로 단면 형상이라고 부름)에서의 대표 치수는 화염의 도입로(128) 측으로의 진입을 방지할 수 있을(연소 반응이 도입로(128) 내에 전파되지 않을) 정도의 소염 거리(소염 등가 직경을 포함함)를 고려하여 소염 거리 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 대표 치수는 연료 가스가 연소실(126)에 유입되기 직전의 유로의 단면 형상에 따라 정해지는 치수이다. 예를 들면, 유로 단면 형상이 원형상인 경우에는 대표 치수는 원형 단면의 직경을 가리키고, 유로 단면 형상이 원형상 이외인 경우에는 대표 치수는 단면의 수력 상당 직경을 가리킨다. 수력 상당 직경은 4×유로 단면적/윤변(潤邊; wetted perimeter)로 구해진다. 윤변은 유로 단면에서의 연료 가스가 접촉하는 벽(배치판(120), 구획판(124)) 부분의 길이를 나타낸다.
예를 들면, 배치판(120)과 구획판(124)의 거리를 소염 거리 이하로 하면, 화염이 도입로(128) 내에 진입하는 것이 방지되어 연소가 안정화된다. 그러나, 배치판(120)과 구획판(124)의 거리를 소염 거리 이하로 균일하게 하기 위해서는, 배치판(120)과 구획판(124)의 면 정밀도나 장착 정밀도를 높일 필요가 있어 제조비용이 증가할 가능성이 있다. 본 실시형태에서는, 배치판(120)과 구획판(124)의 거리가 소염 거리보다 커지는 것을 허용하기 위해, 구획판(124)의 연소실(126) 근방의 하면(배치판(120) 측)에 배치판(120)과 접촉하는 복수의 돌기부(152)를 소정의 간격(L)(도 3b 참조)을 두고 배치한다.
도 3a는 복수의 돌기부(152)를 설명하기 위한 사시도이다. 또한, 도 3a는 연소 가열기(110)의 투시도이다. 도 3b는 도 3a의 B-B선에서의 단면을 화살표 방향에서 본 사시 단면도이다. 도 3b에서 복수의 돌기부(152)의 구조의 이해를 용이하게 하기 위해, 돌기부(152) 중에서 구획판(124)으로 가려져 있는 부분을 점선으로 나타낸다. 또한, 화살표 154는 연료 가스의 흐름 방향을 나타낸다. 도입로(128)는 구획판(124)에 설치된 복수의 돌기부(152)에 의해 그 유로 단면이 좁혀져 있다. 도 2b 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 연료 가스는 도입로(128) 중에서 인접하는 돌기부(152)의 사이의 공극을 통해 연소실(126)에 유입된다. 이 때, 돌기부(152)끼리의 간격(L)이 유로 단면 형상의 대표 치수가 된다. 즉, 배치판(120)과 구획판(124)의 거리를 엄밀하게 설정하지 않고 간격(L)에 따라 유로 단면 형상의 대표 치수를 설정하는 것이 가능하게 된다.
연료 가스의 소염 거리(d)는 관벽 모델의 직경의 크기로 나타나고, 식(1)에 의해 구해진다.
d=2λ·Nu1/2/Cp·ρu·Su …식(1)
식(1)에서, λ은 열전도율, Nu는 누셀트 수, Cp는 정압 비열, ρu는 연료 가스의 밀도, Su는 연소 속도이다.
본 실시형태의 연소 가열기(110)는 상술한 대표 치수(돌기부(152)끼리의 간격(L))가 소염 거리(d) 이하가 되도록 설계되어 있기 때문에, 연소실(126)에서의 안정된 연소가 가능하게 된다. 또한, 복수의 돌기부(152)를 설치하는 구성에 한정되지 않고, 구획판(124)의 연소실(126) 근방의 하면에 하나의 원환형 돌기부를 설치해도 된다. 이 경우, 돌기부와 배치판(120)의 거리가 대표 치수가 된다. 이러한 구성에 의해, 보다 간이한 구조로 도입로(128)의 대표 치수를 소염 거리(d) 이하로 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 연소 가열기(110) 단체(單體)에서는 도출로(130)로부터 도입로(128)에 대해 열을 전달하므로 열효율을 매우 높게 할 수 있다. 또한, 제2 배관부(134)를 통해 배기 가스를 회수하므로 주위 환경을 손상시키는 것도 방지할 수 있다.
이어서, 이러한 연소 가열기(110)를 요구되는 열량이나 가열 면적에 따른 수만큼 복수 연결하여 구성되는 연소 가열 시스템(100)을 설명한다.
(연소 가열 시스템(100))
도 4는 연소 가열 시스템(100)의 외관예를 도시한 사시도이다. 도 5a는 연소 가열 시스템(100)의 구조를 설명하기 위한 평면도이다. 도 5b는 도 5a의 C-C선에서의 단면도이다. 도 5c는 도 5b의 영역(X2)에서의 확대도이다. 도 6은 불 번짐부(170)를 설명하기 위한 사시도이다. 단, 도 6에서는 설명의 편의상 연소 가열 시스템(100)의 도면 중 앞쪽으로 연장되어 있는 부위를 생략하고, 생략한 부분의 단면에 관한 상세한 기재를 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연소 가열 시스템(100)은 복수의 연소 가열기(110)를 서로 연결한 구조를 가지고, 공급되는 연료 가스를 연소시켜 각각의 연소 가열기(110)를 가열하여 그 배기 가스를 회수한다.
본 실시형태에서는, 큰 열량이나 가열 면적을 얻기 위해 열량이나 가열 면적이 비교적 작은 연소 가열기(110)를 복수 조합한다. 비교적 작은 연소 가열기(110)를 이용할 수 있기 때문에, 연소 가열기(110) 단체를 크게 설계한 경우와 비교하여 연소시에서의 개개의 열변형을 억제할 수 있다. 또한, 열량이나 가열 면적의 증가 요구에 따라 연소 가열기(110)를 추가로 연결하였다고 해도 개개의 연소 능력은 연소 가열기(110)의 연결수 증가의 영향을 받지 않는다. 그 때문에, 그 안정성이나 내구성을 유지할 수 있다.
본 실시형태에서는 설명의 편의를 위해 연소 가열기(110)를 2개만 연결하는 경우를 들고 있지만, 연소 가열기(110)의 길이 방향 및 폭 방향으로 임의로 연소 가열기(110)를 연결할 수 있어, 다양한 종횡비의 연소 가열 시스템(100)을 구성할 수 있다.
또한, 도 5a 및 도 6에 도시된 바와 같이, 연소 가열 시스템(100)에서의 복수의 연소 가열기(110)의 연결 부위에는 연결된 복수의 연소 가열기(110) 내의 밀폐 공간(연소실(126), 도입로(128), 도출로(130))을 서로 연통하는 불 번짐부(170)가 형성되어 있다. 또, 이 밀폐 공간은 연소 가열 시스템(100)을 기체 중에서 이용하는 경우, 반드시 완전히 밀폐할 필요는 없다. 또한, 가열판(118)과 배치판(120)과 외주벽(122)의 사이를 완전 밀폐하면, 연소 가열기(110)는 액체 중에서도 사용할 수 있다.
복수의 연소 가열기(110)를 서로 연결하는 연소 가열 시스템(100)에서는, 예를 들면 이그나이터 등의 점화 장치에 의한 1회의 점화에 의해, 연결하는 모든 연소 가열기(110)를 점화하는 기능이 요구된다. 연소 가열기(110)는 밀폐성을 유지하면서 불 번짐부(170)를 형성할 필요가 있다. 또한, 연소 가열기(110)에서 외주벽(122)은 보염 기능을 가지므로, 불 번짐부(170)의 형성시에 외주벽(122)을 안이하게 제거하여 버리면, 외주벽(122)에서 정체점(가스의 유동이 정체되는 개소)이 형성되지 않고, 보염성의 악화에 따라 CO배출 농도가 증가하여 본래의 열효율을 얻을 수 없게 될 가능성이 있다.
본 실시형태의 불 번짐부(170)는, 외주벽(122)의 일부인 보염 부위(172)와, 연결된 복수의 연소 가열기(110)에서의 각각의 연소실(126)끼리를 연통시키는 연통로(174)를 구비한다. 보염 부위(172)와 연통로(174)는 가열판(118)의 직교 방향(가열판(118)과 배치판(120)의 대향 방향, 즉 외주벽(122)의 높이 방향)으로 병설되어 있다. 보염 부위(172)는 배치판(120) 측에 설치되고, 연통로(174)는 가열판(118) 측에 설치되어 있다.
(보염 부위(172))
본 실시형태에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 외주벽(122)의 높이 방향 전부에 걸쳐 연통로(174)를 형성하지 않고, 보염에 필요하게 되는 높이의 보염 부위(172)로서 외주벽(122)의 일부를 남기고 있다. 그 때문에, 도입로(128)를 흘러 온 연료 가스는, 도 5b의 영역(X2)을 확대한 도 5c에 도시된 바와 같이 연소실(126)에서 보염 부위(172)에 충돌하여 연소한다. 보염 부위(172)는 연소실(126)에서 보염성을 확보하는 데에 충분한 높이를 갖고 있으므로, 연통로(174)가 형성되지 않은 연소실(126)과 마찬가지의 연소가 가능하고, CO를 배출하지 않고 열효율의 유지를 도모하는 것이 가능하게 된다. 연소실(126)은 외주벽(122)의 배치판(120) 측의 내주면에 연료 가스를 충돌시켜 그 유동을 정체시킴으로써 보염한다. 즉, 연소실(126)은 외주벽(122)의 일부인 보염 부위(172)에 연료 가스를 충돌시켜 보염한다.
(연통로(174))
도 5c에 도시된 바와 같이, 연통로(174)는 보염 부위(172)의 위쪽에, 연결된 복수의 연소 가열기(110)의 연소실(126)을 서로 연통시키는 관통공으로서 형성된다. 이러한 구성에 의해, 점화에 따라 한쪽의 연소 가열기(110)에서 생긴 화염이 연통로(174)를 통하여 다른 쪽으로도 전파되고, 연결된 모든 연소 가열기(110)를 단시간에 점화하는 것이 가능하게 된다. 본 실시형태에서는 연통로(174)를 보염 부위(172)의 위쪽에 형성하는 예를 들었지만, 보염 부위(172)로서 보염성을 확보할 수 있으면 보염 부위(172)의 아래쪽에 형성할 수도 있다. 또한, 본 실시형태에서는 연통로(174)의 단면 형상을 직사각형으로 형성하는 예를 들고 있지만, 이러한 경우에 한정되지 않고, 원형이나 다각형 등 여러 가지 형상을 이용할 수 있다.
또한, 도입로(128)의 대표 치수와는 달리, 화염이 연통로(174)를 통과하도록(연소 반응이 연결된 복수의 연소 가열기(110) 간에 전파하도록) 연통로(174)의 단면 형상을 설계할 필요가 있다. 그 때문에, 연통로(174)의 대표 치수는 상술한 식(1)의 소염 거리(d)보다 크게 설정한다. 예를 들면, 소염 거리(d)가 3mm인 경우에, 연통로(174)의 단면 형상을 높이 3mm×폭 10mm의 직사각형으로 하면, 그 대표 치수는 4.6mm가 되어 화염을 충분히 전파하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 연소 가열 시스템(100)을 구성하는 연소 가열기(110)의 외주벽(122)의 높이(h1)는, 보염에 필요하게 되는 보염 부위(172)의 높이(h2)와 연통로(174)의 소염 거리(d)에 기초하여 결정되는 연통로(174)의 높이(h3)의 합이 된다.
또, 연통로(174)는 연결된 복수의 연소 가열기(110) 각각의 연소실(126) 간의 거리가 최단이 되는 위치에 형성된다. 예를 들면, 도 5a에서 연통로(174)는 연결하는 복수의 연소 가열기(110)의 연결 부분이며, 그리고, 연소 가열 시스템(100)의 폭 방향 대략 중앙에 형성된다. 본 실시형태에서는 연소 가열기(110)의 외주벽(122)의 내주가 트랙 형상으로 형성되어 있기 때문에, 그 트랙 형상의 원호의 중심끼리를 연결하는 직선상에 연통로(174)를 위치시킴으로써 복수의 연소실(126) 간의 거리가 최단이 된다. 이와 같이 복수의 연소실(126) 간의 거리를 짧게 함으로써, 연통로(174)의 소염 거리(d)를 짧게 할 수 있다. 따라서, 연통로(174)의 대표 치수를 작게 설정한 경우에서도 화염을 확실히 전파시켜 점화의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또, 연통로(174)의 위치는 복수의 연소실(126) 간의 거리가 최단이 되는 위치에 한정되지 않고, 불 번짐이 가능한 범위에서 임의로 설정할 수 있다. 이러한 연통로(174)의 설치에 의해, 연소 가열 시스템(100)의 운영 조건 하에서 안정된 불 번짐을 확인할 수 있었다.
또한, 연통로(174) 근방의 연소실(126)에서의 연소에 기초한 화염의 전파뿐만 아니라, 연소 가열기(110) 내에 생기는 압력파에 의해서도 화염의 전파를 도울 수 있다.
도 7은 화염의 전파를 설명하기 위한 평면도이다. 예를 들면, 점화 장치(176)가 근방의 연소실(126)에 점화하면, 도 7에서 화살표로 나타낸 바와 같이 외주벽(122)의 내주면을 따라 순차적으로 연소실(126) 내에서 화염이 전파된다. 연료 가스에 점화하였을 때에 연소실(126) 내에 생기는 압력에 의해, 연결된 다른 연소 가열기(110)로 향하는 방향(도 7의 지면(紙面) 우측방향)의 압력파가 생기고, 그 압력파에 의해 화염의 전파 속도가 높아진다. 또한, 이러한 압력파가, 평면에서 보아 반원 형상으로 되어 있는 외주벽(122)의 내주면에 의해 집약되고, 더 가속하여 연통로(174)에 유입되므로, 화염은 연결된 다른 연소 가열기(110)에 용이하게 전파된다.
이와 같이 보염 부위(172)와 연통로(174)를 상하 방향으로 병설하는 구성에 의해, 점화시에 있어서 불 번짐성과 보염성을 양립시킬 수 있다. 또한, 연소 가열기(110)의 연결수에 관계없이 1회의 점화만으로 모든 연소 가열기(110)를 점화하여 비용 저감과 작업성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 정상 연소시에는 연소 가열 시스템(100)을 구성하는 각각의 연소 가열기(110)에 있어서, 상술한 바와 같이 높은 열효율의 유지와 주위 환경의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
도 8a는 연통관(180)을 설명하기 위한 사시도이다. 또한, 도 8a는 연소 가열 시스템(100)의 배관 부분의 사시도이다. 도 8b는 도 8a의 D-D선에서의 단면도이다. 도 8a, 도 8b 및 후술하는 도 9a, 도 9b에서는 이해를 용이하게 하기 위해 배관 부분만을 나타내는데, 이러한 배관 부분은 연소 가열기(110)의 본체 용기에 접속되어 있다.
또한, 이하에서는 제1 배관부(132) 및 제2 배관부(134) 중에서 점화 장치(176)가 배치된 연소 가열기(110)의 본체 용기에 접속되어 있는 배관을 제1 배관부(132a) 및 제2 배관부(134a)로 한다. 또한, 연통로(174)를 통해 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110)의 본체 용기에 접속되어 있는 배관을 제1 배관부(132b) 및 제2 배관부(134b)로 한다.
연소 가열 시스템(100)은, 도 8b에 도시된 바와 같이 복수의 연소 가열기(110)의 제2 배관부(134a, 134b)를 연통시키는 연통관(180)을 구비한다. 이러한 연통관(180)은 유로 면적이 제2 배관부(134a, 134b)보다 큰 확대부(182)를 가진다. 이 유로 면적은 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향에서의 유로의 단면적이다. 본 실시형태에서는, 도 8a, 도 8b에 도시된 바와 같이 연통관(180)의 유로 전체가 제2 배관부(134a, 134b)의 유로보다 넓게 형성되어 있다. 즉, 연통관(180) 전체에 걸쳐 확대부(182)가 형성되어 있다. 연통관(180)의 일부의 유로 면적을 제2 배관부(134a, 134b)의 유로 면적보다 크게 하고, 확대부(182)를 연통관(180)의 일부에만 설치해도 된다.
연소 가열 시스템(100)에서는, 점화 장치(176)에 의해 한쪽의 연소 가열기(110)가 점화되면, 상기한 바와 같이 외주벽(122)의 내주면을 따라 순차적으로 연소실(126) 내에서 화염이 전파되고, 연료 가스에 점화하였을 때에 생기는 압력파가 연통로(174)에 유입되어 화염은 연결된 다른 연소 가열기(110)에 전파된다. 이 때, 점화된 연소 가열기(110)로부터 제2 배관부(134a), 연통관(180), 제2 배관부(134b), 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110)의 순서로 압력파가 전해지는 경우가 있다. 이 압력파의 전파에 대해 도 9a, 도 9b를 이용하여 상세히 서술한다.
도 9a, 도 9b는 압력파의 전파를 설명하기 위한 수직 단면도이다. 도 9a는 본 실시형태의 구성을 나타내고, 도 9b는 비교예의 구성을 나타내고 있다. 또, 이해를 용이하게 하기 위해, 압력파가 강해짐에 따라 복수의 타원의 원호(184)를 서로 접근시켜 나타낸다. 도 9b에 나타내는 비교예에서는, 연통관(10)의 유로 면적은 제2 배관부(134a, 134b)의 유로 면적과 동일하다. 이 경우, 발생한 압력파는 연통관(10) 내에서 거의 약해지지 않고 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110)의 제2 배관부(134b)를 역류하는 방향(배기 가스의 유동 방향과 반대 방향)으로 전파한다.
이와 같이 하여 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110) 내에 압력파가 전파되면, 이 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110)에서의 배기 가스의 흐름이 저해되기 때문에, 연통로(174)에서의 화염의 전파가 억제되어 불 번짐성이 저하된다. 즉, 불 번짐이 가능하게 되는 조건의 범위가 좁아져 불 번짐할 수 없는 경우가 있다.
본 실시형태의 연소 가열 시스템(100)에서는, 도 9a에 도시된 바와 같이 연통관(180)이 확대부(182)를 가진다. 불 번짐하는 쪽의 연소 가열기(110)에 제2 배관부(134a, 134b)를 통해 전파하는 압력파는, 제2 배관부(134a)로부터 확대부(182)로 전파한 곳에서 유로의 확대에 따라 감쇠된다.
또한, 확대부(182)의 유로의 단면적이 크기 때문에, 압력파가 전파하는 매체(연통관(180) 내의 배기 가스나 공기 등의 기체)의 체적도 크다. 그 때문에, 도 9b의 비교예보다 연통관(180) 안을 전파함으로써 압력파의 에너지가 약해지기 쉽다.
또한, 연통관(180)과 제2 배관부(134b)의 접속 부분에서는, 유로 면적이 큰 배관으로부터 유로 면적이 작은 배관으로 향하여 압력파가 전파되기 때문에, 압력파는 더욱 전파하기 어려워진다.
이와 같이 연소 가열 시스템(100)은 제2 배관부(134a, 134b)를 통한 압력파의 전파의 영향을 억제하고, 연통로(174)를 통하여 전파하는 화염에 의한, 연결하는 다른 연소 가열기(110)에의 불 번짐성을 한층 더 향상할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태에는 한정되지 않는다. 당업자는 특허청구범위에 기재된 범주에서 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있고, 이들도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속한다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는 외주벽(122)의 내주면은 평면에서 보아 트랙 형상으로 형성되어 있었지만, 환상이라면 어떠한 형상이어도 된다. 외주벽(122)의 내주면이 평면에서 보아 원환상이나 직사각형 환상으로 형성되어 있어도 된다.
본 발명은, 연료를 연소시키고 피가열물을 가열하는 복수의 연소 가열기를 서로 연결한 연소 가열 시스템에 이용할 수 있다.
100 연소 가열 시스템
110 연소 가열기
118 가열판
120 배치판
122 외주벽
124 구획판
126 연소실
128 도입로
130 도출로
132, 132a, 132b 제1 배관부
134, 134a, 134b 제2 배관부
170 불 번짐부
172 보염 부위
174 연통로
176 점화 장치
180 연통관
182 확대부

Claims (5)

  1. 가열판과, 상기 가열판에 대향 배치된 배치판과, 상기 가열판과 상기 배치판의 사이에 배치된 환상의 외주벽과, 상기 가열판과 상기 배치판의 사이에 배치된 구획판과, 상기 외주벽을 따라 위치하고 상기 외주벽의 일부인 보염 부위에 연료 가스를 충돌시켜 보염하는 연소실과, 상기 배치판과 상기 구획판을 측벽으로 하고 상기 연소실로 향하여 연료 가스를 유동시키는 도입로와, 상기 가열판과 상기 구획판을 측벽으로 하고 상기 연소실로부터 배기 가스를 외부로 향하여 유동시킴과 동시에 상기 구획판을 개재하여 배기 가스의 열로 연료 가스를 예열하는 도출로를 구비하는 연소 가열기를 복수 연결한 연소 가열 시스템으로서,
    복수의 상기 연소 가열기의 연결부에 배치됨과 동시에 각각의 상기 연소실을 서로 연통시키는 연통로를 구비하고,
    상기 보염 부위와 상기 연통로가 상기 가열판과 상기 배치판의 대향 방향으로 병설되어 있는 연소 가열 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외주벽의 높이는, 보염에 필요하게 되는 상기 보염 부위의 높이와, 상기 연통로의 소염 거리에 기초하여 결정되는 상기 연통로의 높이의 합인 연소 가열 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연통로는, 연결된 복수의 상기 연소 가열기 각각의 상기 연소실 간의 거리가 최단이 되는 위치에 배치되어 있는 연소 가열 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 도입로에 접속되어 연료 가스를 상기 연소 가열기로 향하여 유동시키는 제1 배관부;
    상기 도출로에 접속되어 배기 가스를 상기 연소 가열기의 외부로 향하여 유동시키는 제2 배관부;
    복수의 상기 연소 가열기 각각의 상기 제2 배관부를 서로 연통시키는 연통관;을 더 구비하고,
    상기 연통관은 상기 제2 배관부보다 유로 면적이 큰 확대부를 갖는 연소 가열 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 배관부 및 상기 제2 배관부 중 한쪽이 다른 쪽의 내부에 배치되어 이중관을 형성하고 있는 연소 가열 시스템.
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